5GNR與LTE的系統(tǒng)間協(xié)同研究

汪鋒 葛中魁 趙霞

【摘 ?要】為了在5G網(wǎng)絡部署初期既實現(xiàn)5G NR的基本覆蓋，又兼顧既有LTE網(wǎng)絡以及5G頻譜的條件限制，并盡可能重用已有資源保證運營商的已有投資。從架構選項、資源共存以及終端自干擾等三個方面對5G NR與LTE之間的協(xié)同進行了論述，對NSA雙連接的觸發(fā)機制、5G NR與LTE的時頻資源共存以及雙連接下可能出現(xiàn)的終端自干擾問題進行了分析，給出了業(yè)界已有的解決方案，又針對性地提出解決方案，為5G NR與LTE之間的協(xié)同提供技術參考。

【關鍵詞】5G NR;NSA雙連接;SUL;終端自干擾

1 ? 引言

移動通信新技術往往最先在熱點區(qū)域進行部署，隨著新的產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟與完善，運營商根據(jù)自己的策略，再不斷地向全網(wǎng)進行擴展。在此期間，兩種甚至更多的網(wǎng)絡技術共同向用戶提供服務。從3G時代開始，都會將新技術與上一代技術之間的協(xié)同視為一個關鍵需求加以實現(xiàn)，比如WCDMA與GSM之間的核心網(wǎng)共用、LTE與WCDMA之間的CSFB等。

5G NR和LTE之間存在同樣的現(xiàn)象。對于5G網(wǎng)絡架構的選擇、頻率資源的選擇以及干擾問題的規(guī)避，都不可避免地會和LTE網(wǎng)絡產(chǎn)生交集，這是業(yè)界研究的熱點。本文將從架構選項、資源共存以及終端自干擾等三個方面對兩者之間的協(xié)同進行分析。

2 ? 架構選項

在ITU的報告中，5G明確支持eMBB、mMTC和uRLLC三大場景。因此5G無線技術不僅要提升網(wǎng)絡速度、容量和效率，同時還需要增加網(wǎng)絡的靈活性、智能化及開放程度。

2.1 ?5G的網(wǎng)絡架構

（1）規(guī)范中的8種架構

從GSM到LTE，3GPP為每一代系統(tǒng)均只定義了唯一的標準系統(tǒng)架構，而為了滿足需求，對5G提出了圖1所示的8種可選系統(tǒng)架構（實線表示業(yè)務流，虛線表示控制流）。

在8種網(wǎng)絡架構中，Option1是現(xiàn)網(wǎng)LTE架構，Option6/8都是采用EPC核心網(wǎng)和5G NR基站對接，顯然這3種架構不會被運營商采用。

剩下的5種架構，根據(jù)5G NR是否與LTE共存，又分為SA架構和NSA架構。其中Option2/5屬于SA架構，Option3/4/7屬于NSA架構。

Option3/4/7架構，UE均采用在LTE R12版本引入的“雙連接”DC（Dual Connection）技術方式與核心網(wǎng)互通。其中Option3/7的區(qū)別在于核心網(wǎng)是采用升級后的EPC+，還是采用5GC，相同點是均采用LTE基站作為錨點站（控制面消息通過LTE基站與核心網(wǎng)通信），5G NR基站只使用業(yè)務面。而Option4采用5G NR基站作為錨點站，LTE基站只使用業(yè)務面。

（2）Option3架構

Option4/7均需要部署一張純粹的核心網(wǎng)5GC，因此現(xiàn)實意義不大，只能作為一種可選項存在。Option3利用現(xiàn)網(wǎng)EPC提供5G eMBB服務，可以實現(xiàn)5G的快速部署。

根據(jù)雙連接業(yè)務的分流方式，Option3又可以分為3/3a/3x三種選項，其結構如圖2所示。

三種架構中，Option3對LTE基站吞吐量以及與5G NR基站之間X2接口的傳輸要求較高;Option3a要求LTE基站具備較為靈活的機制選擇用戶承載面的錨點，并能動態(tài)調(diào)整，但對X2接口的傳輸要求較低;Option3x則能夠發(fā)揮5G NR的優(yōu)勢且實現(xiàn)簡單。

國內(nèi)三大運營商在5G運營初期均會采用3x架構。

2.2 ?NSA雙連接建立的觸發(fā)機制

NSA組網(wǎng)的本質(zhì)是4G+5G協(xié)同，但3GPP僅定義了雙連接架構，并未對如何觸發(fā)雙連接進行定義。本節(jié)將以Option3為例，介紹雙連接的觸發(fā)機制。

Option3中，如何觸發(fā)雙連接是由作為MeNB的LTE eNB來決定的，目前業(yè)界一般有如下兩種觸發(fā)機制：

（1）gNB盲添加。UE接入LTE后，eNB根據(jù)UE能力（如是否支持DC）、鄰區(qū)列表中是否有支持DC的5G小區(qū)、eNB與gNB之間是否存在X2接口等條件來決定是否為UE添加gNB。

（2）基于MR的gNB添加。UE接入LTE后，如果滿足gNB盲添加條件，eNB為UE配置一個測量事件來觸發(fā)UE對5G鄰區(qū)的測量。eNB根據(jù)測量結果，選擇滿足條件的5G鄰區(qū)進行添加。

上述兩種觸發(fā)機制各有利弊。盲添加方式實現(xiàn)簡單，但可能會將信號質(zhì)量較差的5G小區(qū)添加為鄰區(qū)，從而導致雙連接性能惡化。基于MR的添加方式，保證了所添加的5G鄰區(qū)的信號質(zhì)量，但由于未考慮UE的實際需求，因此可能帶來資源浪費，同時會增加X2接口的信令負荷。

本文提出第三種觸發(fā)機制，即基于業(yè)務的觸發(fā)機制。其原理如下所述：根據(jù)MR結果，eNB保存滿足添加條件的5G鄰區(qū)列表，再根據(jù)空口吞吐率或者待發(fā)數(shù)據(jù)量來決定是否添加5G鄰區(qū)。如果空口吞吐率或者緩沖區(qū)待發(fā)數(shù)據(jù)量超過門限，則針對該UE選擇一個最好的5G鄰區(qū)發(fā)起添加過程。

這種基于業(yè)務的添加機制，保證了只會給有需求的UE添加5G鄰區(qū)，既降低了X2口的信令負荷，又避免了資源的浪費。

3 ? 資源共存

5G中引入高頻甚至毫米波頻段用于提升帶寬，解決容量問題。但高頻覆蓋的弱點顯而易見，即便波束賦形的使用在一定程度上彌補了覆蓋能力，但仍然存在成本、復雜度等問題。

現(xiàn)網(wǎng)技術（如LTE、WCDMA、GSM）已經(jīng)占據(jù)了絕大部分中低頻優(yōu)質(zhì)頻段，且2025年以前LTE仍然是移動網(wǎng)的主力承載網(wǎng)，因此很多情況下，如果5G NR需要部署在中低頻段，則一定會占用LTE的頻段。

但是，5G NR占用LTE頻段，勢必會減少LTE可用頻譜，同時使得兩種技術的可用帶寬減少，導致每個載波的峰值速率降低。對于支持EN-DC（Eutra-New Radio Dual Connection）的終端，速率有所補償，但對于傳統(tǒng)的LTE終端，則直接影響其速率。

LTE/NR頻譜共存是早期實現(xiàn)NR部署在較低LTE頻譜而不減少LTE頻譜數(shù)量的可行方式。3GPP中確定了LTE/NR可以共存的兩個場景：

（1）第一種場景，在UL和DL都存在LTE/NR共存頻譜的情況;

（2）第二種場景，僅在UL方向共存頻譜，即SUL（Supplement Uplink，補充上行）。

3.1 ?UL/DL都存在共存頻譜的場景

針對此種場景，本文將重點介紹DL方向。

（1）需要避開的LTE資源

為了實現(xiàn)LTE“永遠在線”的功能，LTE中一些特定的信道/信號相對固定的出現(xiàn)在時頻資源圖中。為了實現(xiàn)LTE/NR的頻譜共存，必須在給NR分配資源時，避開這些特定資源。

◆PSS/SSS：在系統(tǒng)帶寬正中間的6個RB共72個子載波上，時域占據(jù)2個OFDM符號，每5 ms發(fā)送一次。

◆PBCH：在系統(tǒng)帶寬正中間的6個RB共72個子載波上，時域占據(jù)4個OFDM符號，每10 ms發(fā)送一次。

◆CRS：頻域上每隔6個子載波均勻發(fā)送，根據(jù)CRS天線端口數(shù)目不同，時域上在每個子幀的第0、第4或者第1個OFDM符號上發(fā)送。

（2）5G NR中的預留資源

5G NR在設計之初的一個重要目標便是后向兼容，其含義是如果NR在未來引入新的特性時，這些特性可以很容易地引入系統(tǒng)，不會對原有已部署的功能造成影響。

為了支持后向，5G NR設計了若干機制，其中最重要的就是為DL傳輸定義了“預留資源”。系統(tǒng)的預留資源可以是：

◆針對一個LTE載波。預留資源會規(guī)避LTE載波的PBCH/PSS/SSS/CRS等資源，保證NR能在LTE載波上進行DL傳輸。

◆針對一個CORESET。

◆針對一組由位圖指示的資源集。

本文針對一個LTE載波，以LTE的PSS/SSS為例，利用位圖指示進行時頻資源匹配，實現(xiàn)預留資源。

LTE的PSS/SSS資源可以通過{bitmap-1， bitmap-2， bitmap-3}三元組來定義。

◆bitmap-1表示頻域上的RB位置，其中“1”的位置指示PSS/SSS占據(jù)的是哪6個RB。

◆bitmap-2表示時域上OFDM符號位置，其中“1”的位置指示PSS/SSS占據(jù)了LTE子幀中的哪2個OFDM符號。

◆bitmap-3表示PSS/SSS在10 ms幀中哪2個子幀中傳遞。

具體如圖3所示。

可以看出，3個位圖明確指示出了為LTE PSS/SSS預留出的資源。是否預留資源是通過下行PDCCH中的DCI進行指示的。

需要明確的是，上述預留資源是針對5G NR采用15 kHz子載波間隔，對于其余子載波間隔，同樣可采用位圖方式進行資源預留。同理可實現(xiàn)對LTE的PBCH和CRS的資源預留。

3.2 ?SUL場景

5G中，高頻將被作為主力頻段使用，無論是Sub 6GHz還是毫米波頻段，其頻率遠遠高于以往的2G/3G/4G，電磁波衰耗也會大大增加，隨之而來的上下行不平衡問題將會更加突出。

能解決5G中的上行覆蓋能力弱的問題，就能解決5G高頻覆蓋能力弱的問題。

（1）5G中的SUL技術

為了解決5G中上行覆蓋能力弱的問題，3GPP提出了SUL技術。SUL的原理是在小區(qū)近中點上下行仍然采用中高頻（如3.5 GHz），在小區(qū)遠點或邊緣采用1.8 GHz作為上行（下行仍然為3.5 GHz），這樣可以解決采用3.5 GHz時上下行約13 dB的覆蓋差異，大大彌補上行覆蓋的不足。

（2）目前SUL頻率獲取的方式

目前基站主設備廠家對于5G SUL的頻率獲取主要有以下兩種思路，但均存在弊端。

◆重耕LTE/GSM頻譜

重耕現(xiàn)網(wǎng)LTE FDD頻譜，同時壓縮上下行帶寬，釋放出頻率給SUL使用。但這種方式會帶來現(xiàn)網(wǎng)LTE容量損失。

◆LTE/5G動態(tài)共享上行頻譜

這種方式可以避免犧牲LTE容量去換取5G覆蓋的弊端，但其最大的問題在于LTE基站與5G基站必須是同廠家，不利于5G基站與LTE基站之間的解耦，不利于5G生態(tài)的快速發(fā)展。

（3）利用LTE FDD非對稱帶寬獲取SUL頻率的方式

針對上述兩種SUL頻率獲取方式存在的弊端，本文提出利用LTE FDD上下行非對稱帶寬獲取SUL頻率的方法。

1）LTE FDD業(yè)務的非對稱性

LTE FDD方式下，上下行頻率必須對稱使用。但目前網(wǎng)絡中絕大多數(shù)業(yè)務均為非對稱業(yè)務，上行所需資源要遠遠小于下行，無形中造成了上行頻率資源的浪費。表1是某城市LTE FDD上下行無線網(wǎng)絡資源利用率和小區(qū)吞吐率之間的對比。

可見，在LTE FDD方式下，業(yè)務特性決定了對于上行帶寬的占用實際要遠遠小于下行。如果可以使用非對稱帶寬對上行帶寬加以壓縮，騰出的頻率則可以用于5G上行，從而大大增強5G的上行覆蓋能力，解決其上下行覆蓋不平衡的問題。

2）非對稱帶寬LTE FDD的實現(xiàn)

2017年12月，3GPP在R15 Phase1版本中，已經(jīng)將部分頻段劃分為SUL頻段，如表2所示：

其中，1 710 MHz—1 785 MHz正好包含了中國聯(lián)通目前的LTE主力頻段B3的上行頻段1 745 MHz—1 765 MHz，而880 MHz—915 MHz則正好包含了中國聯(lián)通的主力低頻頻段B8的上行909 MHz—915 MHz。

換言之，如果能夠?qū)⒅袊?lián)通現(xiàn)網(wǎng)的LTE上行頻率進行壓縮，則完全可以將節(jié)省出的頻率用于未來的5G網(wǎng)絡中的上行SUL頻率，從而大大提高5G網(wǎng)絡的上行覆蓋，將具有深遠的意義。

在考慮系統(tǒng)干擾、頻率選擇性衰落等情況的前提下，LTE可以自適應地分配子載波的數(shù)量、子載波的位置以及調(diào)制方式，具有很大的靈活性。

目前LTE網(wǎng)絡中，基站eNB的下行帶寬配置通過MIB消息通知UE，UE則根據(jù)上行帶寬配置和所處頻帶來計算得到其上行帶寬配置。

因此，在具體實現(xiàn)非對稱帶寬的時候，基站的上下行帶寬仍然可以按照對稱帶寬進行配置，但是在基站的資源調(diào)度算法中，只將上行帶寬的一部分向UE進行分配。

比如，在網(wǎng)管中仍然將小區(qū)的上下行帶寬配置為上行UL是1 745 MHz—1 765 MHz，下行DL是1 840 MHz—1 860 MHz。當有業(yè)務進行時，基站給UE分配上行頻率資源時，只在1 745 MHz—1 755 MHz范圍內(nèi)進行分配，不再涉及1 755 MHz—1 765 MHz。未來這個非對稱帶寬LTE基站周邊的5G基站則可以利用1 745 MHz—1 765 MHz進行SUL的上行增強，提升其上行覆蓋能力。

基站資源調(diào)度算法的修改，需要關注以下問題：

◆LTE中的上行DM RS默認是在系統(tǒng)帶寬的兩側邊緣RB進行發(fā)射，因此修改后需在指定帶寬兩側邊緣進行發(fā)射。

◆需關注LTE與SUL之間的上行干擾。例如中國聯(lián)通現(xiàn)有1.8 GHz上行頻段為1 735 MHz—1 765 MHz，其二次諧波落在3 470 MHz—3 530 MHz區(qū)域，正好為中國聯(lián)通5G頻段范圍，因此NR DL會受到LTE UL的諧波干擾。如果有針對性地選擇SUL頻率（如1 735 MHz—1 745 MHz），則可以避免終端的諧波干擾。

4 ? 雙連接下的5G終端自干擾

NSA架構要求終端采用雙射頻同時與5G網(wǎng)絡和4G網(wǎng)絡進行交互，終端會帶來對gNB的諧波干擾和互調(diào)干擾。表3以國內(nèi)某運營商的LTE頻率為例進行說明。

4.1 ?諧波干擾

終端射頻器件（如功放）的非線性因素會產(chǎn)生諧波干擾信號，造成gNB的接收靈敏度下降。諧波干擾主要以二次諧波為主。

由表3可知，LTE上行頻率帶來的二次諧波范圍為3 470 MHz—3 530 MHz，其中有30 MHz落在了5G頻段范圍內(nèi)。

4.2 ?互調(diào)干擾

當有兩個或者更多的干擾信號同時進入接收機時，它們的頻率組合可能會恰好落在接收機的濾波器頻率范圍內(nèi)而被接收機所接收，這種干擾就是互調(diào)干擾。互調(diào)干擾以三階干擾最為嚴重，如2f1-f2、2f2-f1。

由表3可知，二者帶來的三階互調(diào)干擾范圍分別為（MHz）：

3 470（3 500+1 735-1 765）～3 630 （3 600+1 765-1 735）

1 635（1 735+3 500-3 600）～1 865（1 765+3 600-3 500）

顯然，三階互調(diào)產(chǎn)物會對5G頻段以及LTE的下行造成干擾。

4.3 ?規(guī)避措施

對于5G NSA下的雙連接帶來的自干擾問題，業(yè)界普遍采用提高射頻器件性能、增加濾波電路、5G/LTE時頻域統(tǒng)一調(diào)度等措施，但無一例外存在增加成本、不利于生態(tài)鏈發(fā)展的弊端。

對于運營商，一方面盡量爭取新的5G頻段（如3 300 MHz—3 400 MHz）;另一方面可以在5G熱點區(qū)域適時壓縮LTE頻段，盡量壓窄其帶來的諧波干擾和互調(diào)干擾范圍。當然如果能盡早部署SA網(wǎng)絡，則可以一勞永逸地解決此問題。

5 ? 結束語

文章從架構選項、資源共存以及終端自干擾等三個方面對5G NR與LTE系統(tǒng)間協(xié)同展開討論，分析了各自的關鍵問題，針對性地提出了解決方案。

對于NSA中的雙連接觸發(fā)機制，提出了“基于業(yè)務”的觸發(fā)機制;對于5G NR與LTE之間的頻率共存，既給出5G NR中的“資源預留”方案，又提出了“采用LTE FDD非對稱帶寬獲取SUL頻率”的解決方案;對于終端自干擾問題，也提出了相應的措施。

5G NR與LTE之間的互操作、頻率共享以及干擾問題，在LTE退出歷史舞臺之前，一直都會是業(yè)界研究的熱點。

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